CC BY
12
doi 10.24411/2221-0458-2021-86-31-39
ПОРИСТЫЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АРГИЛЛИТОВЫХ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД УГЛЕДОБЫЧИ
Кара-сал Б.К., Саая Б.О., Сарыглар А.С., Монгуш Д.А. Тувинский государственный университет, г. Кызыл
POROUS HEAT INSULATING MATERIAL BASED ON ARGILLITE OVERBURDEN ROCKS OF COAL MINING
B.K. Kara-Sal, B.O. Saaya, A.S. Saryglar, D.A. Mongush Tuvan State University, Kyzyl
Представлены результаты экспериментальных исследований по получению пористого
теплоизоляционного материала в виде круглых гранул на основе аргиллитовых вскрышных
пород угледобычи Усть-Элегестинского угольного разреза. Из массы содержащей 75%
аргиллитовой породы, 20% технической кальцинированной соды и 5% известняка, путем
тонкого измельчения, грануляции полученной массы и последующего низкотемпературного
синтеза при 900 °С получены круглые пористые гранулы с объемной насыпной массой 2803 u w
320 кг/м . Полученный теплоизоляционный материал является продуктом образования пеностеклокристаллической массы при термической обработке техногенного сырья и корректирующих добавок. В результате протекания термических процессов - расплавления, газообразования и вспенивания массы, получены пористые гранулы, которые можно использовать как теплоизоляционную засыпку и как легкий заполнитель для тяжелых бетонов.
Ключевые слова: аргиллитовые вскрышные породы; масса; измельчение; обжиг; газовыделение; вспенивание; объемная насыпная масса; водопоглощение
The results of experimental studies on the production of porous heat-insulating material in the form of round granules based on argillic overburden rocks from the Ust-Elegest coal mine are presented. Round porous granules with a bulk density of 280-320 kg / m3 were obtained from a mass containing 75% argillite rock, 20% technical soda ash and 5% limestone, by fine grinding, granulation of the resulting mass and subsequent low-temperature synthesis at 900 °C. The obtained heat-insulating material is a product of the formation of a foam-glass-crystalline mass during heat treatment of technogenic raw materials and corrective additives. As a result of thermal processes -
melting, gas formation and foaming of the mass, porous granules are obtained. These granules can be used as a heat-insulating backfill and as a light aggregate for heavy concrete.
Keywords: argillite overburden; weight; grinding; burning; gas release; foaming; bulk weight; water absorption
В настоящее время в строительном комплексе большое внимание уделяется на теплозащиту зданий с применением различных теплоизоляционных материалов минеральной и органической основы [1]. При применении легкой минеральной ваты в качестве теплоизоляционного материала в составе многослойных стен, при существенном уменьшении толщины несущего слоя стены, снижается жесткость стены, а также происходит нарушение и разрушение структуры основного несущего слоя стены, так как для закрепления самого теплоизоляционного материала и наружного отделочного слоя (особенно при устройстве вентилируемого фасада из керамических плит) в стену забивают металлический анкеры, которые имеют глубину заделки до 20-30 см и являются мостиками холода. При укладке мягкой минеральной ваты на чердаке зданий в качестве утеплителя происходит уплотнение утеплителя при устройстве и эксплуатации крыши.
Использование органического пено-полистирола и пенополиуретана в качестве утеплителя ограниченно в связи с их горючестью и несовместимостью с минеральной несущей частью стен (кирпич,
бетон). Кроме того, долговечность органических теплоизоляционных материалов существенно уступает к длительному применению минеральных утеплителей.
При предъявлении к стеновым изделиям взаимно исключающих требований, как необходимая пористость (не менее 30%) при достаточной прочности (не менее 10 МПа) с длительной долговечностью, более предпочтительно применение теплоизоляционных материалов минеральной основы. Важное значение еще имеет полифункциональность материалов для широкого использования [2].
По комплексу характеристик, прежде всего таких как: объемная насыпная масса, механическая прочность, теплопроводность, водопоглощение, негорючесть, длительный срок службы, пористые пеностекольные материалы превосходят органические теплоизоляционные материалы [3]. Относительная дешевизна сырья, простота технологий и хорошие теплоизоляционные свойства пористых стеклокристаллических заполнителей при пониженном значении водопглощения, высокой прочности и морозостойкости могут обеспечить их конкурентно-
способность по сравнению с другими теплоизоляционными материалами.
Опыт показывает, что для производства пеностеклокристаллических пористых заполнителей применяют различные породы алюмосиликатной основы природного и техногенного происхождения [4, 5].
Привлечение промышленных отходов, в том числе вскрышных пород для производства теплоизоляционных материалов дает дополнительную возможность эффективной переработки различных техногенных образований. Утилизация отходов необходима для реализации федеральных программ по защите окружающей среды.
Целью данной работы является получение пористого теплоизоляционного материала в виде круглых гранул на основе местных вскрышных пород угледобычи, так как в Республике Тыва отсутствует производство теплоизоляционного материала и строительный комплекс региона испытывает дефицит эффективного теплоизоляционного материала и пористого заполнителя для легких бетонов.
В качестве основного сырья для получения пористого теплоизоляционного материала, в работе использованы вскрышные породы угледобычи Усть-Элегестинского угольного разреза, которые представляют собой уплотненные каменистые материалы, содержащие
глинистые минералы и классифицирующие как аргиллиты. Применение данных отходов в производстве пористых заполнителей связано с алюмосиликатной основой химического состава породы. Введение в состав сырьевой смеси химически активного компонента должноспособствовать интенсификации процессов спекания и вспучивания массы при переходе в пиропластичноесостояние.
Вследствие этого, актуальность разработки, обеспечивающая возможность применения местных сырьевых материалов, прежде всего техногенного происхождения, не подлежит сомнению.
Производство эффективного и экологически чистого теплоизоляционного материала на основе вскрышных пород угледобычи способствует комплексности использования сырья и снижению стоимости товарной продукции.
Аргиллитовые вскрышные породы угледобычи в отвалах находятся в виде щебня, валунов и крупных блоков. Цвет породы серый и темно-серый. Объемная насыпная масса щебенистой фракции (до 40 мм) породы равна 1520 кг/м . Водопоглощениекусков породы 3,8-4,6 %. Механическая прочность породы при сжатии колеблется в пределах 48-52 МПа.
В качестве плавни для активации спекания и снижения вязкости пиропластическоймассы принята кальцинированная сода Ка2803, характеристики
которой регламентируется ГОСТом 5100- основных оксидов в аргиллитовой 85. вскрышной породы характерно для
Как газообразователь и источник глинистых пород. процесса вспенивания массы использован тонкоизмельченный хайыраканский известняк.
Изучение химического состава сырьевых материалов, представленного в таблице 1 показало, что содержание
Таблица 1. Химический состав
Наименование материалов Содержание оксидов, масс.%
Si02 AI2O3 Fe,03 CaO MgO л-O .W.-O п.п.п.
Аргиллиты 60,17 11,83 8,94 1,81 2,23 2,72 1,21 11,75
Известняк 0,55 0,14 0,08 54,82 0,38 0,05 0,04 43,47
В Усть-Элегестинскихаргиллитовых породах содержание БЮ2 в пределах 60%, что на уровне чистых глинистых пород. Доля оксида алюминия менее 13%, поэтому породы относятся к кислым. Концентрация железистых соединений высокая (более 6%), что придает черепку после обжига красную окраску. Наличие щелочных оксидов К20и№20, которые влияют на спекание масс при обжиге среднее. Потери при прокалывании (п.п.п) аргиллитов до 11,75% связаны с присутствием химически связанной воды в глинистых минерала и углистых веществ.
Высокое содержание оксида кальция (54,82%) в местном известняке свидетельствует о высокой чистоте данной породы и качестве получаемой извести.
Исследование минералогического состава аргиллитовых вскрышных пород показало, что в них кроме основного глинистого минерала монтмориллонита (ё/и 1,221; 0,636; 0,452; 0,355; 0,232 нм) присутствуют кварц, ортоклаз, гидрооскид железа и кальцит.
Методом седиментационного анализа [6] выявлено, что содержание глинистых минералов в аргиллитах колеблется в пределах 16-18 %, что соответствует присутствию глинистых минералов в легких суглинках.
В вещественном составе аргилли-товых вскрышных пород наряду с минеральными составляющими зафиксировано наличие органических углистых частиц, доля которых изменяется в пределах 2-5%, которые попадают в состав
вскрышных пород при разработке массива пород, лежащих над угольными пластами. Следует отметить, что присутствие мелких частиц угля в массе способствует спеканию и вспучиванию массы при термической обработке.
Работа выполнена по следующей методике. Щебенистая фракция аргиллитов (размер частиц до 70 мм) сначала измельчена в щековой дробилке. Затем полученный материал подвергнут к тонкому помолу в шаровой мельнице в течении 4 ч. Таким же образом дроблен и измельчен известняк. Дозировка сырьевых материалов произведена при составе: аргиллиты 75%; кальцинированная сода -20%; известняк - 5%. После дозировки сырьевые материалы перемешаны в шаровой мельнице в течении 1 ч для равномерного распределения каждого компонента в объеме сырьевой смеси.
Из полученной массы путем добавления воды (16%) на грануляторе получены гранулы размером до 10 мм, которые после сушки подвергались термической обработке при 900 °С, где происходили быстрый прогрев,
расплавление поверхности и вспучивание гранул при разложении частиц известняка.
Полученные пористые круглые гранулы испытывались в соответствии с требованиями ГОСТ 9758-86 «Пористые заполнители неорганические для строительных работ». Для определения
коэффициента теплопроводности гранул использовали электронный измеритель теплопроводности ИТП-МГ-4.
В целях оптимизации состава исходной смеси и условий синтеза пеностеклокристаллического пористого материала проведено изучение зависимости технических характеристик получаемого материала от вида и количества модифицирующих добавок и технологических параметров.
Сначала определено оптимальное содержание плавни, доля которого изменялась от 10 до 25%. Предварительно выявлена оптимальная температура вспучивания массы 900 °С, так как при данной температуре начинается бурное разложение карбоната кальция с выделением газов и переход аргиллитовой массы в пиропластическое состояние.
В таблице 2 приведены свойства пористого заполнителя на основе аргиллитовой вскрышной породы в зависимости от содержания плавни или кальцинированной соды.
Выявлено, что с повышением содержания плавни, от 10 до 20 % объемная насыпная масса гранул, уменьшается с 470 до 280 кг/м , а водопоглощениечастиц снижается с 26,5 до 17,1 %. В то же время механическая прочность круглых гранул уменьшается с 3,7 до 2,1 МПа. На основании того, что при увеличении доли плавни до 25%, объемная
насыпная масса гранул существенно не активатора принято 20 %. уменьшается, то оптимальное содержание
Таблица 2. Свойства гранул
Содержание плавни, % Объемная насыпная масса, кг/м3 Водопоглощение, % Предел прочности при сжатии, МПа
10 470 26,5 3,2
15 385 22,7 2,7
20 280 17,1 2,1
25 240 16,4 1,6
Дальнейшее увеличение доли плавни вызывает удорожание стоимости сырьевых материалов.
Изучение влияния содержания газообразователя показало, что наиболее оптимальная доля измельченного
Повышение доли известняка до 7% уменьшает объемную насыпную массу гранул до 220 кг/м , а механическая прочность снижается до 1,6 МПа. Выявлено, что при этом в структуре гранул преобладают крупные поры, что уменьшает прочность материала. Поэтому,
оптимальным содержанием карбонатного газообразователяпринято 5%.
Важным технологическим параметром, влияющим на качество получаемого пористого заполнителя, является
известняка равна 5%. Как видно из табл.3, при включении 3% карбоната кальция, процесс вспенивания происходит недостаточно, вследствие чего объемная насыпная масса гранул равна 410 кг/м и высокое водопоглощение.
продолжительность изотермической
выдержки при конечной температуре.
Как известно, именно от продолжительности нахождения гранул в зоне обжига зависят процессы газовыделения и плавления [7]. Только при совпадении данных термических процессов образуется пористая структура гранул [8].
Выявлено, что при продолжительности выдержки гранул в зоне обжига при температуре 900 °С в течении 7 минут, объемная насыпная масса изделий составила 380 кг/м , а при нахождении в
Таблица 3. Изменение свойств гранул в зависимости от содержания газообразователя
Содержание плавни, % Объемная насыпная масса, кг/м3 Водо поглощение, % Предел прочности при сжатии, МПа
3 390 24,7 3,8
5 280 17,1 2,1
7 220 16,2 1,6
течении 10, 13 минут, данный показатель равен 280 и 210 кг/м . Однако, изучение микроструктуры образцов показало, что при изотермической выдержке 13 минут, в гранулах присутствуют крупные поры с тонкими перегородками.
На рис. 1 показана микроструктура гранул, полученных с изотермической выдержкой 7 (позиция а) и 10 мин (позиция
б). Как видно из рис. 1, в первом случае, в структуре материала присутствуют мелкие поры, а во втором случае, имеются более крупные поры с равномерным распределением. Соответственно, объемная насыпная масса гранул 280 кг/м , что значительно меньше, чем 380 кг/м (7 минутная выдержка).
а) б)
Рис. 1. Микроструктура гранул с изотермической выдержкой: а - 7 мин; б - 10 мин
Исследование фазового состава полученных круглых частиц показало, что материал содержит стекловидную составляющую и кристаллические фазы-кварц, и ортоклаз или представляет пеностеклокристаллический материал.
Сравнительный анализ с
традиционным пористым заполнителем -керамзитовым гравием показывает, что полученные пористые гранулы по водопоглощению и прочности превосходят,
кроме того, температура обжига существенно ниже (900 °С против 1250 °С). Соответственно, полученные результаты позволяют сделать заключение, что аргиллитовые вскрышные породы могут быть отнесены к сырью, позволяющему изготовлять пористые гранулы с температурой обжига 900 °С, что связано с началом разложения карбоната кальция.
Введение в состав массы 20% кальцинированной соды и 5%
тонкоизмельченного известняка обеспечивает получение гранулированного пеноаргиллита с насыпной объемной массой 280 кг/м , прочностью 2,1 МПа и водопоглощением17,1 %.
Ресурсо-и энергосберегающая эффективность получения нового гранулиро-
Библиографический список
1. Терещенко, И. М. Получение эффективных теплоизоляционных материалов / И. М. Терещенко, Б. П. Жих. - Текст : непосредственный // Строительные материалы. - 2016. - № 4. - С. 45-47.
2. Верещагин, В. И. Гранулированный пеностеклокристаллический теплоизоляционный материал из цеолитсодержащих пород / В. И. Верещагин, С. Н. Соколова. - Текст : непосредственный // Строительный материалы. - 2007. - № 3. -С.66-68.
3. Кетов, А. А. Тенденции развития технологии пеностекла / А. А. Кетов, А. В. Конев, И. С. Пузанов. - Текст : непосредственный // Строительные материалы. - 2007. - № 9. -С. 28-30.
4. Казьмина, О. В. Пеностеклокристаллические материалы на основе природного и техногенного сырья : монография / О. В. Казьмина. - Томск : Издательство Томского политехнического университета, 2014. -2016 с. - Текст : непосредственный.
5. Байджанов, Д. О. Теплоизоляционный материал на основе местного техногенного сырья / Д. О. Байджанов, Ж. С. Нугужинов, В. И. Федорченко. - Текст :
ванного материала заключается в применении отходов угледобычи в отвалах, что исключает специальную разработку месторождения и в снижении энергетических затрат с уменьшением температуры термообработки на 350 °С.
непосредственный // Стекло и керамика. -2016. - № 11. - С. 40-43.
6. Практикум по технологии керамики : учебное пособие / под редакцией И. Я. Гузмана. - Москва : ООО РИФ «Строй -материалы, 2005. - 336 с. - Текст : непосредственный.
7. Онацкий, С. П. Производство керамзита : монография / С. П. Онацкий. - Москва : Стройиздат, 1987. - 333 с. - Текст : непосредственный.
8. Верещагин, В. И. Гранулированные материалы из природного и техногенного сырья / В. И. Верещагин, С. Н.Соколова, А. Мюллер. - Текст : непосредственный // Строительные материалы. - 2005. - № 5. -С. 23-26.
References
1. Tereshhenko I. M. and Zhih B. P. Poluchenie jeffektivnyh teploizoljacionnyh materialov. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2016. No. 4. P. 45-47. (In Russian)
2. Vereshhagin V. I. and Sokolova S. N. Granulirovannyj penosteklokristallicheskij teploizoljacionnyj material iz ceolitsoderzhashhih porod [Granular foam glass-crystalline heat-insulating material from zeolite-containing rocks]. Stroitel'nye materialy
[Construction Materials], 2007. No. 3. P.66-68. (In Russian)
3. Ketov A. A. et al. Tendencii razvitija tehnologii penostekla [Trends in the development of foam glass technology]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2007. No. 9. P. 28-30. (In Russian)
4. Kaz'mina O. V. Penosteklokristallicheskie materialy na osnove prirodnogo i tehnogennogo syr'ja : monografija [Foam glass-crystalline materials based on natural and technogenic raw materials: monograph]. Tomsk, Tomsk Polytechnical University, 2014. 2016 p. (In Russian)
5. Baidzhanov D. O., Nuguzhinov Zh. S., Fedorchenko V. I. Teploizoljacionnyj material na osnove mestnogo tehnogennogo syr'ja [Thermal insulation material based on local
technogenic raw materials]. Steklo i keramika. 2016. No. 11. P. 40-43. (In Russian)
6. Praktikum po tehnologii keramiki : uchebnoe posobie [Workshop on Ceramic Technology: A Study Guide]. Ed.by I. Ja. Guzman. Moscow, JSC RIF Stroimaterialy, 2005. 336 p. (In Russian)
7. Onackiy S. P. Proizvodstvo keramzita : monografija [Expanded clay production: monograph]. Moscow, Stroyizdat, 1987. 333 p. (In Russian)
8. Vereshhagin V. I., Sokolova S.N. and Muller A. Granulirovannye materialy iz prirodnogo i tehnogennogo syr'ja [Granular materials from natural and man-made raw materials]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2005. No. 5. P. 23-26. (In Russian)
Кара-сал Борис Комбуй-оолович - доктор технических наук, доцент, Тувинский государственный университет, г. Кызыл, Россия, e-mail: silikat-tgu@mail.ru
Саая Буян Оюноолович - старший преподаватель кафедры «Строительство и жилищно-коммунальное хозяйство», Тувинский государственный университет, г. Кызыл, Россия, e-mail: silikat-tgu@mail.ru
Сарыглар Айлан Шолбановна - аспирант, Тувинский государственный университет, г. Кызыл, Россия, e-mail: silikat-tgu@mail.ru
Монгуш Доржу Аясович - магистрант, Тувинский государственный университет, г. Кызыл, e-mail: silikat-tgu@mail.ru
Boris K. Kara-Sal - Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Tuvan State Unversity, Kyzyl, Russia, e-mail: silikat-tgu@mail.ru
Buyan O. Saaya - Senior Lecturer at the Department of Construction, Housing and Communal Services, Tuvan State University, Kyzyl, Russia, e-mail: silikat-tgu@mail.ru
Dorzhu A. Mongush - master's student, Tuvan State University, Kyzyl, Russia, e-mail: silikat-tgu@mail.ru
Статья поступила в редакцию 05.11.2021
